CN112485459B - 一种超高速时频傅里叶激光测速方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高速时频傅里叶激光测速方法及系统，利用光栅对进行光谱展宽，表面镀有反射膜的高速运动物体在三维光谱内运动，被反射的信号光s_1按原路返回，用于计算运动速度分量vy，透射的两路信号光s_2与信号光s_3分别用于计算vx以及vz，三路信号光均被探测器响应，探测信号被示波器记录。本发明通过对高速运动物体的快速扫描，将频谱进行编码，可以实时计算出物体的运动速度并判断运动轨迹方向，从而获得目标物体的加速度a、角速度ω以及角加速度α等物理量。实现对高速运动物体的位置跟踪，克服了电子设备采样速度和带宽限制，实现连续、超快、逐帧采集光信号的方法和系统，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及的是超快超短脉冲激光测速技术。
背景技术
测速系统的设计应用已渗透到了武器、航天、工业等诸多领域。如在武器系统的研发过程中，弹丸飞行速度的测量；在风洞试验中，飞行器模型流体力学参数的研究；在高速机车的研制开发过程中，同样需要对其速度加以检测。湍流、复杂流动、非定常流动等现象一直是流体力学中重要的研究对象及疑难问题，因此开发适于流体运动研究的方法与技术也始终是一个重要的课题。其中，对于高速运动物体的物理状态检测(速度、加速度、角速度、角加速度等)，是瞬态过程及效应物理研究中的一个有待发展的领域，可能会导致极端条件下的新物理效应，在高速碰撞等方面有着直接的应用背景，也给检测和控制技术提出了更高的挑战。
测量物体运动速度的方法越来越多，激光测速凭借着其非接触测量、不干扰目标运动、空间分辨率高、响应速度快、测量精度高以及量程大等优点在测速系统中脱颖而出。该技术的发展始终围绕着提高精度，扩大测量范围，缩短测量时间和对人眼安全等方面展开。
目前实现激光测速的技术主要有以下几种方法。
多普勒测速法。利用波传播中多普勒效应进行测速的方法，当光源和运动物体发生相对运动时，从物体散射回来的光会产生多普勒频移，这个频移量的大小与运动物体的速度、入射光和速度方向的夹角都有关系。虽然这是一种比较有效的测量速度方法，但设备庞大，价格昂贵。
激光光幕测速法。在测量目标前进方向放置两道光幕，通过测试高速运动物体穿过两光幕间的时间间隔Δt及两光幕间的距S，由平均速度公式v＝S/t计算测量目标的速度。但在使用双光幕的平均速度测量法中，由于每个光幕及其后处理电路在工作中的处理速度和延时不可能完全一致，这样就会造成难以避免的误差。在要求高精度的测量中，这些误差会对结果产生附加的负面的影响。另外，两个光幕射出的光要求严格平行，否则测量结果也会产生误差，而严格平行在现实测量中也很难做到。
脉冲激光测速是在测距的基础上实现测速。脉冲法测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的，其换算公式为:S＝ct/2。式中S为待测距离，c为激光在大气中传播的速度，t为激光在待测距离上的往返传播时间。这里，c作为已知量，t作为待测量。时间t的测量则是由硬件电路部分和软件处理部分进行记录和计算。该方法的关键是如何精确稳定的确定t的起止时刻和精确测量t，其中涉及较为复杂的电路系统。并且对于测量角度要求非常高，测速系统应该正对运动物体的运动方向，测量偏差角度应该小于10度，才能保证准确测量。
激光相位测速由相位测距法多次测量距离来实现。激光相位测距的方法是通过对激光的强度进行调制实现的。相位调制的方法有连续激光直接调制、光调制(包括声光调制AOM和电光调制EOM)以及模间拍频调制。虽然激光相位测速方式的测量精度比脉冲激光测速方式要高，但是相位法对光路要求非常严格，同样要求测量偏差角应该小于10度。
粒子图像测速，是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法。其基本原理是在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上。该方法是在传统流动显示技术基础上，利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术，但是该系统的使用成本极高，价格昂贵。
综上所述，虽然激光测速方法有多种，但由于电子设备采样速度和带宽限制等，上述方法对于高速运动物体的物理状态检测存在着技术不足与缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种超高速时频傅里叶激光测速方法及系统，该技术具有极好的时间分辨率和空间分辨力，可在三维测速领域得到充分的应用，它具有动态范围大以及响应速度快的特性，能够实现对高速运动物体的全场、瞬态测量，使测速可视化。
本发明目的实现由以下技术方案来完成：
一种超高速时频傅里叶激光测速方法：利用一个超短脉冲经时频傅里叶技术进行时间展宽,被时间展宽的光脉冲经光栅对实现光谱展宽，表面镀有反射膜的一定大小的目标物体以一定速度在宽带光谱中运动；目标物体运动的同时将信号光s_1按原路返回，并再次通过光栅对后由光纤环行器输出；透过的信号光s_2和s_3分别通过水平、竖直放置的光栅对后，由光纤耦合器输出；信号光s_1、s_2与s_3均被高速响应的光电探测器探测，并输出高频电脉冲信号，三路信号被示波器记录；通过计算信号光s_1的脉冲序列中单位时间内光脉冲延时量，可以得到目标物体在y方向运动的速度分量vy；通过测量信号光s_2和s_3的脉冲序列中第一个与最后一个带有明显强度凹陷的信号脉冲之间凹陷的距离，可以得到目标物体分别在x、z方向运动的速度分量vx、vz；结合目标物体的移动速度v＝vxi+vyj+vzk以及物体的运动轨迹，从而获得目标物体的加速度a＝Δv/Δt、角速度ω＝dθ/dt以及角加速度α＝Δω/Δt等物理量。
优选的：所述的时频傅里叶系统，指的是利用群延迟色散元件扩展光谱成分；并利用色散傅里叶变换将脉冲的时间频谱映射到强度包络与频谱相似的时间波形；通过光电检测将光信号转换成模拟电信号波形，然后通过实时的模数转换实现数字化；在进行数字信号处理和数据分析后，光纤激光器的锁模单脉冲光谱被映射到示波器上直接显示的时间波形中。
优选的，其特征在于：所述的光栅对工作波长1550nm，闪耀角为28.41°，光栅线数为600line/mm，衍射效率>70％。激光以Littrow角入射衍射光栅，由于光栅的衍射效应，激光中不同频率的光衍射角度不同，即光束被分成一条连续的谱线。
优选的，所述的一定大小是指该系统能检测的目标大小是根据光脉冲经光栅展宽后并正交的两路光谱空间范围来确定的。光脉冲经光栅展宽后的光谱在空间中传播5cm后的谱线宽度约1cm，高度约0.2cm，两路正交的光谱区域范围约为1cm×1cm×0.2cm。
优选的，所述的一定速度是指该系统能检测的运动速度范围是根据锁模脉冲激光器的重复频率以及经光栅展宽的光谱空间宽度(连续的谱线宽度)来确定的；重复频率为50-MHz(对应20ns)的锁模脉冲序列，光脉冲经光栅展宽后的光谱空间宽度为1cm,该方法可以测量的速度为500km/s。
优选的，所述的带有明显强度凹陷是指目标物体在宽带光谱中运动时，会遮挡部分激光，从而产生强度凹陷；由于运动速度很快，运动过程中相邻光脉冲之间信号强度的凹陷较弱，因此在运动的起点与终点处信号凹陷最明显，起点和终点处信号凹陷的距离d通过测量得到；因此，目标物体在x方向运动的速度分量vx＝d/((n-1)T)，在z方向运动的速度分量vz＝d’/((n-1)T)。
优选的，所述的单位时间，指的是一秒钟内发射m个光脉冲，则目标物体运动的时间为1/nT。m为脉冲个数，T为锁模光纤激光器发射的脉冲序列的重复频率，即周期T。
优选的，所述的光脉冲延时量指的是第一个脉冲与第m个脉冲之间的时间为nT，但是由于物体在运动，所以实际测量的时间为nT′，那么n个脉冲后的延时量就是n(T-T′)，对应的移动距离为n(T-T′)×c。因此，目标物体在y方向运动的速度分量vy＝(n(T-T′)×c)/nT。
优选的，该系统的实现形式如下：系统包括一台锁模光纤激光器、时频傅里叶系统、光纤环行器、光纤耦合器、分束片、二分之一波片、光栅对、反射镜、高速运动物体、光电探测器和示波器。锁模脉冲激光经过经时频傅里叶系统进行时间展宽后通过光纤环行器，随后由耦合器准直输出，信号光经分束片分为两路；两路信号光均经过二分之一波片后以Littrow角入射光栅对；由于光栅的衍射效应，激光中不同频率的光衍射角度不同，即光束被分成一条连续的谱线后再入射下一个光栅；此时，水平与竖直放置的光栅对给目标物体提供了一个三维测量范围；表面镀有反射膜的目标物体以一定速度在宽带光谱中运动，目标物体运动的同时将信号光s_1按原路返回，并再次通过光栅对后由光纤环行器输出；透过的信号光s_2和s_3分别通过后面的光栅对，经反射镜后由光纤耦合器输出；由光纤环形器输出的信号光s_1以及光纤耦合器输出的信号光s_2与s_3分别被探测器响应，所产生的电信号由一台示波器记录并测量。根据示波器所测量的信号光s_1、s_2与s_3，计算起止脉冲个数n，以及测量起止脉冲之间强度凹陷的距离d，则可以计算出目标物体的移动速度v，以及获取物体的运动轨迹。本发明的优点是不需要复杂的光学和电路结构，即可获得具有实时性、连续的单帧光脉冲时域瞬态信息；并且测速数据的更新速率，不受物体运动方向的限制，可以对高速运动的物体进行逐个脉冲测量，以此获得物体的运动速度。因此本发明提供了一种克服电子设备采样速度和带宽限制，实现连续、超快、逐帧采集光信号的方法和系统，为实时高速测速的基础研究和新技术的发展提供了一种新的高速和高时间分辨率的技术途径。
附图说明
图1为超高速时频傅里叶激光测速方法的原理图(vx/vz)；
图2为超高速时频傅里叶激光测速方法的原理图(vy)；
图3为实施例的装置图；
图4为目标物体在三维光谱内运动的示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
参见图1，超高速时频傅里叶激光测速方法的原理如下：利用一个超短脉冲经时频傅里叶技术进行时间展宽,被时间展宽的光脉冲经光栅对实现光谱展宽，表面镀有反射膜的目标物体以一定速度在宽带光谱中运动；目标物体运动的同时将信号光s_1按原路返回，并再次通过光栅对后由光纤环行器输出；透过的信号光s_2和s_3分别通过水平、竖直放置的光栅对后，由光纤耦合器输出；信号光s_1、s_2与s_3均被高速响应的光电探测器探测，并输出高频电脉冲信号，三路信号被示波器记录；通过计算信号光s_1的脉冲序列中单位时间内光脉冲延时量，可以得到目标物体在y方向运动的速度分量vy；通过测量信号光s_2和s_3的脉冲序列中第一个与最后一个带有明显强度凹陷的信号脉冲之间凹陷的距离，可以得到目标物体分别在x、z方向运动的速度分量vx、vz；结合目标物体的移动速度v＝vxi+vyj+vzk以及物体的运动轨迹，从而获得目标物体的加速度a＝Δv/Δt、角速度ω＝dθ/dt以及角加速度α＝Δω/Δt等物理量。
本实施例采用图3所示的测量系统，该系统包括锁模光纤激光器1、时频傅里叶系统2、光纤环行器3、光纤耦合器4、分束片5、二分之一波片6、高速运动物体7、光栅对8，9，10，11、反射镜12、光电探测器13、示波器14。
锁模脉冲激光被注入一段长度为500m的单模光纤系统2(即时频傅里叶系统)后通过光纤环行器3，由光纤耦合器4准直输出，信号光经分束片5分为两路；两路信号光均通过二分之一波片6对激光偏振态进行调节，以达到最佳的衍射效率；两路脉冲激光分别以Littrow角入射光栅对8和光栅对10，
由于光栅的衍射效应，激光中不同频率的光衍射角度不同，即光束被分成一条连续的谱线后再经光栅反射，会形成一段激光频率均匀分布的宽带光谱；表面镀有反射膜的目标物体以一定速度在宽带光谱中运动，目标物体运动的同时将信号光s_1按原路返回，并再次通过光栅对8后由光纤环行器3输出；目标物体在宽带光谱中运动时，会遮挡部分激光，从而信号光的相应部分出现一个强度的凹陷，带有凹陷的信号光s_2与s_3经过光栅对9和光栅对11反射，经反射镜12后由光纤耦合器4输出；信号光s_1、信号光s_2与信号光s_3分别被探测器13响应，探测信号被示波器14所记录。探测器的响应带宽为40GHz，示波器的带宽为33GHz，采样频率为80GS/s。根据信号光s_2与s_3的脉冲序列所测量的起点和终点处信号凹陷的距离d与d′，则可以计算出目标物体在x方向运动的速度分量vx＝d/((n-1)T)以及在z方向运动的速度分量vz＝d′/((n-1)T)；根据信号光s_1的脉冲序列所实际测量的时间为T'，目标物体在y方向运动的速度分量vy＝(n(T-T′)×c)/(nT)，从而可获得目标物体的移动速度v＝vxi+vyj+vzk。结合物体的运动轨迹，通过计算可获得目标物体的加速度a＝Δv/Δt、角速度ω＝dθ/dt以及角加速度α＝Δω/Δt等物理量。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但并不限于以上实施例。在不脱离本发明原理的前提下，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明保护之范围。因此本发明的受保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (9)
1.一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：利用一个超短脉冲经时频傅里叶技术进行时间展宽，被时间展宽的光脉冲经光栅对实现光谱展宽，表面镀有反射膜的一定大小的目标物体以一定速度在宽带光谱中运动；目标物体运动的同时将信号光s_1按原路返回，并再次通过光栅对后由光纤环行器输出；透过的信号光s_2和s_3分别通过水平、竖直放置的光栅对后，由光纤耦合器输出；信号光s_1、s_2与s_3均被高速响应的光电探测器探测，并输出高频电脉冲信号，三路信号被示波器记录；通过计算信号光s_1的脉冲序列中单位时间内光脉冲延时量，得到目标物体在y方向运动的速度分量vy；通过测量信号光s_2和s_3的脉冲序列中第一个与最后一个带有明显强度凹陷的信号脉冲之间凹陷的距离，得到目标物体分别在x、z方向运动的速度分量vx、vz；结合目标物体的移动速度v＝vxi+vyj+vzk以及物体的运动轨迹，从而获得目标物体的加速度a＝Δv/Δt、角速度ω＝dθ/dt以及角加速度α＝Δω/Δt物理量。
2.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的时频傅里叶技术，指的是利用群延迟色散元件扩展光谱成分；并利用色散傅里叶变换将脉冲的时间频谱映射到强度包络与频谱相似的时间波形；通过光电检测将光信号转换成模拟电信号波形，然后通过实时的模数转换实现数字化；在进行数字信号处理和数据分析后，光纤激光器的锁模单脉冲光谱被映射到示波器上直接显示的时间波形中。
3.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的光栅对工作波长1550nm，闪耀角为28.41°，光栅线数为600line/mm，衍射效率>70％；激光以Littrow角入射衍射光栅，由于光栅的衍射效应，激光中不同频率的光衍射角度不同，即光束被分成一条连续的谱线。
4.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的一定大小是指能检测的目标大小是根据光脉冲经光栅展宽后并正交的两路光谱空间范围来确定的；光脉冲经光栅展宽后的光谱在空间中传播5cm后的谱线宽度约1cm，高度约0.2cm，两路正交的光谱区域范围约为1cm×1cm×0.2cm。
5.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的一定速度是指能检测的运动速度范围是根据锁模脉冲激光器的重复频率以及经光栅展宽的光谱空间宽度来确定的，所述光谱空间宽度为连续的谱线宽度；重复频率为50-MHz，即对应时间为20ns的锁模脉冲序列，光脉冲经光栅展宽后的光谱空间宽度为1cm,该方法可以测量的速度为500km/s。
6.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的带有明显强度凹陷是指目标物体在宽带光谱中运动时，会遮挡部分激光，从而产生强度凹陷；由于运动速度很快，运动过程中相邻光脉冲之间信号强度的凹陷较弱，因此在运动的起点与终点处信号凹陷最明显，起点和终点处信号凹陷的距离d通过测量得到；因此，目标物体在x方向运动的速度分量vx＝d/((n-1)T)，在z方向运动的速度分量vz＝d’/((n-1)T)，n为脉冲个数，T为锁模光纤激光器发射的脉冲序列的重复频率，即周期T。
7.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的单位时间，指的是一秒钟内发射n个光脉冲，则目标物体运动的时间为1/nT，n为脉冲个数，T为锁模光纤激光器发射的脉冲序列的重复频率，即周期T。
8.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法，其特征在于：所述的光脉冲延时量指的是第一个脉冲与第n个脉冲之间的时间为nT，但是由于物体在运动，所以实际测量的时间为nT'，那么n个脉冲后的延时量就是n(T-T')，对应的移动距离为n(T-T')×c，因此，目标物体在y方向运动的速度分量vy＝(n(T-T')×c)/nT。
9.根据权利要求1所述的一种超高速时频傅里叶激光测速方法进行测量的系统，其特征在于：该系统的实现形式如下：系统包括一台锁模光纤激光器、时频傅里叶系统、光纤环行器、光纤耦合器、分束片、二分之一波片、光栅对、反射镜、高速运动物体、光电探测器和示波器；锁模脉冲激光经时频傅里叶系统进行时间展宽后通过光纤环行器，随后由耦合器准直输出，信号光经分束片分为两路；两路信号光均经过二分之一波片后以Littrow角入射光栅对；由于光栅的衍射效应，激光中不同频率的光衍射角度不同，即光束被分成一条连续的谱线后再入射下一个光栅；此时，水平与竖直放置的光栅对给目标物体提供了一个三维测量范围；表面镀有反射膜的目标物体以一定速度在宽带光谱中运动，目标物体运动的同时将信号光s_1按原路返回，并再次通过光栅对后由光纤环行器输出；透过的信号光s_2和s_3分别通过后面的光栅对，经反射镜后由光纤耦合器输出；由光纤环形器输出的信号光s_1以及光纤耦合器输出的信号光s_2与s_3分别被探测器响应，所产生的电信号由一台示波器记录并测量；根据示波器所测量的信号光s_1、s_2与s_3，计算起止脉冲个数n，以及测量起止脉冲之间强度凹陷的距离d，则计算出目标物体的移动速度v，以及获取物体的运动轨迹。
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